芯片行業(yè)對(duì)于流片都不陌生。所謂流片，就是像流水線一樣通過(guò)一系列工藝步驟制造芯片，該環(huán)節(jié)處于芯片設(shè)計(jì)和芯片量產(chǎn)的中間階段，是芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將設(shè)計(jì)好的方案，交給芯片制造廠，先生產(chǎn)幾片幾十片樣品，檢測(cè)一下設(shè)計(jì)的芯片能不能用，然后進(jìn)行優(yōu)化。如果測(cè)試通過(guò)，就按照這樣開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)了。

所以為了測(cè)試集成電路設(shè)計(jì)是否成功，必須進(jìn)行流片。這也是芯片設(shè)計(jì)企業(yè)一般都在前期需要投入很大成本的重要原因。

一顆芯片從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)，流片屬于非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。當(dāng)芯片完全設(shè)計(jì)出來(lái)以后需要按照?qǐng)D紙?jiān)诰A上進(jìn)行蝕刻，采用什么樣的制程工藝，多大尺寸的晶圓，芯片的復(fù)雜程度都會(huì)影響這顆芯片的流片成功率和成本，而且許多芯片都不是一次就能流片成功的，往往需要進(jìn)行多次流片才能獲得較為理想的效果。

但流片是一件非常燒錢(qián)的事，多幾次流片失敗，可能就會(huì)把公司搞垮。2019年就曾傳出小米旗下松果電子的澎拜S2系列芯片連續(xù)5次流片失敗，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)重組的慘痛案例。

有芯片大廠算過(guò)這筆賬，14nm工藝芯片，流片一次需要300萬(wàn)美元左右，7nm工藝芯片，流片一次需要3000萬(wàn)美元，5nm工藝芯片，流片一次更是達(dá)到4725萬(wàn)美元。可見(jiàn)，流片對(duì)于芯片設(shè)計(jì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆巨大花費(fèi)，尤其是對(duì)于行業(yè)中小企業(yè)來(lái)講，實(shí)際流片的價(jià)格比大廠又高很多，讓本不富裕的“生活”更是雪上加霜。

流片為什么這么貴？

那芯片流片的價(jià)格為什么這么貴？這就要提到芯片的制造原理了。

芯片制造要在很小的芯片里放上億個(gè)晶體管，制造工藝已經(jīng)到了納米級(jí)，只能用光刻來(lái)完成。光刻就是用光刻出想要的圖形，光刻需要用到掩膜版（又稱(chēng)光罩，Mask），掩膜版就是把設(shè)計(jì)好的電路圖雕刻在上面，讓光通過(guò)后，在晶圓上刻出圖形。

流片貴，一方面是因?yàn)閯傞_(kāi)始有許多工藝需要驗(yàn)證，從一個(gè)電路圖到一塊芯片，檢驗(yàn)每一個(gè)工藝步驟是否可行，檢驗(yàn)電路是否具備所要的性能和功能。芯片流片過(guò)程至少持續(xù)三個(gè)月（包括原料準(zhǔn)備、光刻、摻雜、電鍍、封裝測(cè)試），一般要經(jīng)過(guò)1000多道工藝，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，因此也是芯片制造中最重要最耗錢(qián)的環(huán)節(jié)。

如果流片成功，就可以據(jù)此大規(guī)模地制造芯片；反之，就需要找出其中的原因，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

其中，芯片流片貴，主要貴在掩膜版和晶圓，這兩項(xiàng)價(jià)格不菲且都是消耗品，其中掩膜版最貴，一套中端工藝制程的掩膜版價(jià)格大約在50萬(wàn)美元左右，而一片晶圓的價(jià)額也在數(shù)千美元。

掩膜貴還是晶圓貴？

掩膜版是一種由石英為材料制成的，是微電子制造過(guò)程中的圖形轉(zhuǎn)移工具或母版，其功能類(lèi)似于傳統(tǒng)照相機(jī)的“底片”，根據(jù)客戶(hù)所需要的圖形，通過(guò)光刻制版工藝，將微米級(jí)和納米級(jí)的精細(xì)圖案刻制于掩膜版基板上，是承載圖形設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)等內(nèi)容的載體。

然后把這種從掩膜版的圖形轉(zhuǎn)換到晶圓上的過(guò)程，想象成印鈔機(jī)的工作流程。把光刻機(jī)想象成印鈔機(jī)，晶圓相當(dāng)于印鈔紙，掩膜就是印版，把鈔票母版的圖形印到紙張上的過(guò)程，就像光刻機(jī)把掩膜版上的芯片圖形印到晶圓上一樣。

光刻需要用到掩膜版，掩膜版就是把設(shè)計(jì)好的電路圖雕刻在上面，讓光通過(guò)后，在晶圓上刻出圖形。

掩膜版的質(zhì)量會(huì)直接影響光刻的質(zhì)量，掩膜版上的制造缺陷和誤差也會(huì)伴隨著光刻工藝被引入到芯片制造中。因此，掩膜版是下游產(chǎn)品精度和質(zhì)量的決定因素之一。

掩膜版的價(jià)格主要取決于芯片所選用的“工藝節(jié)點(diǎn)”，工藝節(jié)點(diǎn)越高、流片價(jià)格就越貴。這是因?yàn)樵较冗M(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)，所需要使用的掩膜版層數(shù)就越多。據(jù)了解，在14nm工藝制程上，大約需要60張掩膜版，7nm可能需要80張甚至上百?gòu)堁谀ぐ妗?/p>

掩膜版層數(shù)多了，不僅僅是因?yàn)檠谀ぐ宓膬r(jià)格貴，還因?yàn)槊慷喑鲆粚?“掩膜板”，就要多進(jìn)行一次“光刻”，就要再多涂抹一次 “光刻膠”，就要再多一次 “曝光”，然后再來(lái)一次 “顯影” ...，整個(gè)流程下來(lái)耗費(fèi)的成本就大大增加了。

據(jù)IBS數(shù)據(jù)顯示，在16/14nm制程中，所用掩膜成本在500萬(wàn)美元左右，到7nm制程時(shí)，掩膜成本迅速升至1500萬(wàn)美元。

掩膜版的總體費(fèi)用，包括石英，光刻膠等原材料的成本，Mask Writer和Inspection等機(jī)臺(tái)的使用成本，另外還有掩膜版相關(guān)數(shù)據(jù)的生成，包括OPC、MDP等軟件授權(quán)、服務(wù)器使用和人工開(kāi)發(fā)成本等等。對(duì)于一款芯片，動(dòng)輒幾十層的掩膜版，需要如此多的步驟，設(shè)備、軟件、人員缺一不可，費(fèi)用自然昂貴。

在流片中，Mask的費(fèi)用更是占很大一塊，是因?yàn)榍捌诹髌A段就是生產(chǎn)5-25片作為產(chǎn)品驗(yàn)證用的，主要成本是Mask成本。對(duì)應(yīng)的，正式生產(chǎn)時(shí)，Mask的費(fèi)用只算一次，后面有大量的晶圓可以分?jǐn)偝杀?，自然就便宜了?/p>

準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是平均到每一顆芯片上的費(fèi)用便宜了，而不是總的流片費(fèi)用便宜了。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士透露，某晶圓代工廠（Foundry） 40nm的流片成本大概在60-90萬(wàn)美元。Mask占據(jù)大頭，大約60-90萬(wàn)美元；晶圓成本每片在3000-4000美元左右。

所以，如果生產(chǎn)10片晶圓，每片晶圓的成本是（90萬(wàn)+ 4000*10）/10=9.4萬(wàn)美元；但是如果生產(chǎn)10000片晶圓，那么每片晶圓的成本是（90萬(wàn)+4000*10000）/10000=4090美元。

可見(jiàn)，進(jìn)入量產(chǎn)之后，生產(chǎn)上萬(wàn)片晶圓，每片晶圓可能3000-4000美元左右，Mask的成本平攤到每片晶圓以后就很少了，這時(shí)候晶圓的成本就是主要的成本來(lái)源。所以，如果只是量小的流片階段，那么Mask成本是主要的。反之如果量產(chǎn)很多，那么則是晶圓主導(dǎo)成本。

另外，半導(dǎo)體制造廠的機(jī)臺(tái)便宜的上百萬(wàn)美元，貴的上億美元。據(jù)了解，28nm的Mask機(jī)臺(tái)就超過(guò)5000萬(wàn)美元一臺(tái)，這些儀器，機(jī)臺(tái)需要七年折舊完畢。也就是說(shuō)，大概使用一年就要損失14%的機(jī)臺(tái)價(jià)值。

晶圓代工行業(yè)設(shè)備折舊年限通常是5-7年。據(jù)報(bào)道，中芯國(guó)際2019年折舊費(fèi)用超過(guò)了14億，主要是因?yàn)橄冗M(jìn)制程的投入需要購(gòu)置部分單價(jià)較高的機(jī)器設(shè)備，使得折舊費(fèi)用逐年增加。臺(tái)積電2021年折舊費(fèi)用更是達(dá)到近千億新臺(tái)幣，創(chuàng)史上最高。

從工藝研發(fā)周期來(lái)講，機(jī)器的成本和折舊費(fèi)已然很高，但將工藝的良率及可靠性調(diào)到量產(chǎn)要求也是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)的工作。（據(jù)悉某廠搞28nm，機(jī)器2011/2012年就全部到位了, 可是5、6年后良率都還沒(méi)調(diào)到嚴(yán)格的量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)有多難。同時(shí)還白白損失了多年的設(shè)備折舊費(fèi)用。）

其次還有人力成本，維護(hù)成本以及耗材費(fèi)等，這些都是Mask成本高的原因。

據(jù)etnews報(bào)道，隨著當(dāng)前供需狀況惡化，掩膜版的價(jià)格還在上漲，交貨時(shí)間也一再被推遲，即使支付額外費(fèi)用，也很難及時(shí)購(gòu)買(mǎi)到。通常需要4-7天的交期最近增至14天，部分企業(yè)的交期延長(zhǎng)到了原來(lái)的7倍。

此外，為了跟上摩爾定律，F(xiàn)oundry升級(jí)換代所需的設(shè)備和技術(shù)研發(fā)的投資不斷增大，由于Foundry對(duì)先進(jìn)生產(chǎn)線的投資巨大，必然會(huì)將其成本轉(zhuǎn)嫁到客戶(hù)的投片費(fèi)用上。這也導(dǎo)致了制造芯片的費(fèi)用在不斷上漲。

如何降低流片成本？

上述種種因素影響下，芯片流片費(fèi)用成為擺在設(shè)計(jì)企業(yè)面前的一個(gè)難題。那么，面對(duì)流片價(jià)格高的問(wèn)題，有沒(méi)有什么辦法來(lái)降低成本？

摩爾精英資深總監(jiān)王龍向筆者表示，MPW (Multi Project Wafer) 就是一種可以幫助設(shè)計(jì)企業(yè)降低成本的流片方式。MPW是指由多個(gè)項(xiàng)目共享某個(gè)晶圓，同一次制造流程可以承擔(dān)多個(gè)IC設(shè)計(jì)的制造任務(wù)，將多個(gè)使用相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)放在同一晶圓上流片，制造完成后，每個(gè)設(shè)計(jì)可以得到數(shù)十片芯片樣品，這一數(shù)量對(duì)于原型設(shè)計(jì)階段的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試已經(jīng)足夠。

通俗來(lái)講就是幾家公司或機(jī)構(gòu)一起購(gòu)買(mǎi)一套掩膜版，然后生產(chǎn)出來(lái)的同一片晶圓上會(huì)同時(shí)存在有好幾款芯片，待晶圓切割后，再把各自的芯片“領(lǐng)回家”。而該次制造費(fèi)用就由所有參加MPW的項(xiàng)目按照芯片面積分?jǐn)偅瑯O大地降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，MPW有一定的流程，通常由晶圓代工廠或者第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行組織，各種工藝在某一年之中的MPW時(shí)間點(diǎn)是預(yù)先設(shè)定好的，通常是越先進(jìn)的工藝，安排的MPW頻率越高。晶圓代工廠事先會(huì)將晶圓劃好多個(gè)區(qū)域并報(bào)價(jià)，各家公司根據(jù)自己情況去預(yù)訂一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。

這對(duì)參與者來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面有一定的進(jìn)度壓力。但是相比之下，MPW帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，采用多項(xiàng)目晶圓能夠降低芯片的生產(chǎn)成本，為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，并促進(jìn)了芯片設(shè)計(jì)的成果轉(zhuǎn)化，對(duì)IC設(shè)計(jì)人才的培訓(xùn)，中小設(shè)計(jì)公司的發(fā)展，以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制都有相當(dāng)大的促進(jìn)作用。

對(duì)比來(lái)看，共享Mask的好處就是省錢(qián)，但是可能要等代工廠的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，需要更多的時(shí)間。對(duì)于那些不差錢(qián)或趕時(shí)間的企業(yè)當(dāng)然可以自己利用一套Mask（Full- Mask，全掩膜），制造流程中的全部掩膜都為自己的設(shè)計(jì)來(lái)服務(wù)，通常用于設(shè)計(jì)定型后的量產(chǎn)階段。機(jī)器一響，黃金萬(wàn)兩。

但是，在當(dāng)前產(chǎn)能?chē)?yán)重緊缺的情況下，代工廠面對(duì)不同客戶(hù)的產(chǎn)品需求、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)前景和計(jì)劃等態(tài)度是完全不同的，代工廠會(huì)綜合考慮客戶(hù)下單量，后續(xù)下單穩(wěn)定性以及產(chǎn)品所面向的市場(chǎng)前景來(lái)做判斷。

實(shí)際上，對(duì)于大部分的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，除了價(jià)格以外，在流片或量產(chǎn)環(huán)節(jié)還面臨著包括產(chǎn)能、交期在內(nèi)的諸多挑戰(zhàn)：

1.對(duì)Foundry體系不了解，缺乏工藝選型的經(jīng)驗(yàn)和Foundry打交道的經(jīng)驗(yàn)；

2.主流Foundry準(zhǔn)入門(mén)檻高，新興玩家難以申請(qǐng)預(yù)期的工藝或支持，溝通成本高；

3.缺乏系統(tǒng)的供應(yīng)鏈管理能力，尤其在量產(chǎn)產(chǎn)能爬坡階段，對(duì)產(chǎn)能、交期、質(zhì)量過(guò)于樂(lè)觀；

4. 產(chǎn)能緊缺情況下，缺乏備貨機(jī)制，恐慌性下單或有了訂單再下單導(dǎo)致產(chǎn)能跟不上市場(chǎng)需求。此外，交期的變化、產(chǎn)能的波動(dòng)都會(huì)大大增加初創(chuàng)公司與晶圓代工廠的溝通成本，降低效率。

對(duì)此，中小芯片設(shè)計(jì)企業(yè)可以尋求有資源、有實(shí)力、有經(jīng)驗(yàn)的第三方運(yùn)營(yíng)服務(wù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，一同來(lái)解決遇到的供應(yīng)鏈難題。

寫(xiě)在最后

一個(gè)芯片開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，需要經(jīng)歷從產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證仿真一直到最終流片的漫長(zhǎng)過(guò)程，而作為“終極大考”的流片，此前漫長(zhǎng)過(guò)程中的任何一個(gè)小疏忽都可能導(dǎo)致流片失敗，而一旦流片失敗往往意味著企業(yè)將面臨數(shù)千萬(wàn)美元起的損失和至少半年市場(chǎng)機(jī)遇的錯(cuò)失。

這對(duì)于許多企業(yè)而言，流片失敗是無(wú)法承受之痛。

對(duì)此，芯片設(shè)計(jì)企業(yè)、制造商以及相關(guān)的行業(yè)服務(wù)平臺(tái)和機(jī)構(gòu)應(yīng)緊密合作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，攜手解決困擾開(kāi)發(fā)者的“流片難題”。